Kvant elektronikasının əsasları

1.11. Lazerin iş prinsipi

İşçi maddənin müəyyən kvant keçidlərində hər hansı bir üsulla zərrəciklərin inversiya halı alnmışdırsa, onda həmin mühitdən, keçən rezonans tezlikli dalğa məcburi şüalanma nəticəsində güclənəcəkdir (şəkil 1). Belə sistemlər kvant gücləndiriciləri adlanır. Aydındır ki, mühitdə yayılan işığın intensivliyi Buger qanununa uyğun olaraq artır. Mühitdən keçərkən dalğanın qeyri-rezonans itkilərini (səpilmə, aşqarlar tərəfindən udulma, difraksiya itkiləri) nəzərə alsaq, Buger qanunu aşağıdakı şəkildə olar:

(1)

Burada - fəal mühitdə vahid uzunluğa düşən enerji itkisini xarakterizə edən sabitdir. Güclənmə əmsalı isə (2) düsturu ilə verilir və vahid uzunluqda məcburi şüalanma nəticəsində yaranan enerji artımını xarakterizə edir. Qeyd etmək lazımdır ki, gücləndiricidə çıxış siqnalının intenstvliyi giriş siqnalının intensivlıyinin funksiyasıdır. Gücləndiricidən fərqli olaraq generatorun girişinə heç bir stqnal verilmir. Lazerlərdə həmin siqnal fəal mühitdə yaranan spontan şüalanmadır Gücləndiricini optik generatora çevirmək üçün müsbət əks rabitə yaratmaq lazımdır. Şəkil 2 –də optik kvant generatorunun-lazerin prinsipal sxemi göstərilmişdir.

Lazer feal mühitdən, inversiya yaratmaq üçün lazım olan mənbədən və müsbət əks rabitəni təmin edən rezona- tordan ibarətdir. Güzgülərin qaytarma əmsalları r₁ və r₂ -dir. Fərz edək ki, fəal halda olan maddənin daxilində spontan şüalanma nəticəsində x oxu boyunca müəyyən tezlikli dalğa yayılır. Aydındır ki, həmin dalğa zərrəciklərin inversiyası yaradılmış fəal mühitdən keçərkən güclənəcək və r₂ güzgüsünün səthinə düşəcəkdir. Həmin dalğa r₂ güzgüsündən əks olunaraq geriyə qayıdaraq yenidən güclənəcəkdir. Sonra bu dalğa r₁, güzgüsündən əks olunaraq başlanğıc nöqtəyə çatacaqdır. Beləliklə işıq şüası rezonatoran daxilində bir dövr etmişdir. Baxılan halda başlanğıcda işığın intensivliyi J₀ olarsa, rezonatorun daxilində bir dövr etdikdən sonra həmin işıq selinin intensivliyi məcburi şüalanma nəticəsində artaraq r₁r₂J₀e^2kL qiymətinə çatır. Lazerdə generasiya prosesini yaratmaq üçün

(3)

şərti ödənilməlidir. (3) düsturundan fəal mühitin güclənmə əmsalmı təyin etmək olar:

(4)

(4) düsturu lazerin stasionar generasiya şərti adlanır. Beləliklə görmək olar ki, lazerin işləməsi üçün zərrəciklərin inversiyası və güclənmə əmsalının itkilər əmsalına bərabər olması (enerji şərti) şərti ödənilməlidir. (4) düsturunda güclənmə əmsalının (2) ifadəsində nəzərə alsaq, generasiya prosesi üçün tələb olunan zərrəciklərin N₂-N₁ fərqi aşağıdakı kimi təyin olunar:

(5)

Praktikada işıq enerjisinin rezonatordan kənara çıxması üçün güzgülərdən biri yarımşəffaf olur. Güzgülərdən əks olunan dalğanın faza dəyişmələri və olarsa, bir tam dövrdən sonra faza sürüşməsi aşağıdakı kimi təyin olunmalıdır:

(6) q=0,1,2.3,…

(6) şərtindən görünür ki, stasionar halda dalğa rezonatorun daxilində 2L məsafəsini keçdikdə və güzgülərdən iki dəfə əks olunduqda tam dövr sayına bölünən faza sürüşməsi yaranmalıdır. Bununla generatorda müsbət əks rabitə təmin olunur. Əgər hər hansı bir rezonans tezliyi üçün faza sürüşməsi şərti ilə yanaşı (5) enerji şərti də ödənilirsə, onda həmin tezlikdə işığın generasiyası baş verəcəkdir. Bu şərtlər ödənildikdə optik kvant generatoru öz-özünə həyəcanlanacaqdır. Qeyd etdiyimiz kimi optik kvant generatoruna xaricdən gücləndirmək üçün siqnal verilmir. Lazerdə həmişə spontan şüalanma nəticəsində yaranan fotonlar məcburi keçidlər hesabına güclənməyə təkan verir. Güclənən şüanın gücü hədsiz böyüyə bilməz. Həyəcanlanmış enerji səviyyəsindən aşağı səviyyəyə məcburi şüalanma nəticəsində baş verən keçidlərin hər biri fəal atomların sayını azaldır. Aşağı səviyyədə olan atomlar isə şüanı udmağa başlayırlar. Nəticədə baxılan iki enerji səviyyəsində olan atomların sayı bərabərləşər, yəni doyma halı yaranar. Doyma rejimimində inversiya halı pozulduğuna görə işığın güclənməsi də baş vermir.

Müəyyən tezlikdə düz və əks istiqamətlər də baş verən rəqslərin interferensiyası rezonatorda durğun dalğaların yaranmasına gətirir. Hər bir mümkün olan rəqs tezliyinə durğun dalğanın özünəməxsus şəkli uyğundur. Ona görə də rezonator generasiya prosesində yaranan şüalanma spektrinin formalaşmasına təsir edir. Məcburi şüalanma hesabına yaranan spektral xətlərin eni çox kiçik olur, xətlərin monoxromatiklənməsi baş verir. Bundan başqa rezonator şüanın kəskin istiqamətli olmasında əsas rol oynayır.

Beləliklə, işığın generasiyası prosesinə fəal mühitin və rezonatorun xarakteristikaları təsir edir. Əgər fəal mühitdə işığın gücləndirilməsi baş verirsə, rezonator vasitəsilə məcburi keçidlər nəticəsində yaranan dalğalann tezlik spektrinin formalaşması baş verir.

Aydındır ki, lazer şüalanmasında aktiv rezonatorun daxilində mövcud ola bilən modalar iştirak edir. Generasiya prosesində yalnız işçi maddənin spektral xəttinin daxilində yerləşən modalar iştirak edəcəkdir. Lakin bu modalar üçün itkilər eyni deyil. Rezonatorun oxu ilə müəyyən bucaq təşkil edən modalar üçün itkilər böyükdür. Ona görə də rezonatorun oxu boyunca yayılan modalar üçün itkilər minimal olur və həmin modaların intensivliyi tez artır (şekil 3).

Şəkil 3-dən görünür ki, rezonatorun uzununa modalarından yalnız dördü lazerin foal mühitinin güclənmə əmsalının konturunun daxilində yerləşir. Lakin generasiyanın enerji şərti iki moda ( və ) üçün ödənilir. Həmin modaların şüalanma intensivlikləri eyni deyil. Ona görə də gerenasiya spektrinin eni v_q tezliyində yaranan monoxromatik şüalanmanın eni ilə təyin olunur.

LAZERLƏR